深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术ppt课件.ppt
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1、1,硕士2002级 现代完井工程,固井新技术(一),2,第一部分 深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术第二部分 提高复杂井固井质量技术,3,第一部分,深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术,4,固井注水泥的目的之一,原油和天然气有序地从井眼中流到地面,必须建立密封性能良好的井眼通道。建立该良好通道必须有良好的固井质量和防止套管外壁腐蚀。,5,固井质量不好带来的主要问题之一,油气在井下地层之间窜流,造成部分油气资源散失,导致流到地面的油气产量减少。,6,现场及室内研究表明,提高油气井固井质量所涉及的问题很多,如水泥浆特性、水泥浆流动规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性
2、能的合理配合等方面。如何把这些因素作为一项系统工程有机地结合起来,是当前提高固井质量的主要方向。现场将这些问题归纳为压稳、居中、替净和密封的八字方针。,7,具体要求解决的问题有4个方面:(1)水泥浆注替和凝结过程,必须保证浆柱当量压力与地层压力的平衡关系,作到水泥浆不漏,油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题;(2)清除和替净环空泥浆,提高水泥浆的顶替效率和水泥环的胶结质量;(3)提高水泥石的密封质量,无局部水槽、横向水带和窜槽现象,满足后继工程的要求;(4)保证油气井的正常生产寿命。,8,需要具备的主要技术有:,环空窜流预测方法 适合井况要求的水泥浆体系 小间隙环空注水泥流动计算方法 防止套管外
3、壁腐蚀的水泥浆体系,9,一、环空气窜预测方法 现场容易于操作的气窜预测评价方法。,10,1、发生气窜的原因及影响因素 原因,生产实践和研究表明,高压油气井固井后环空发生油气水窜或井口冒油冒气问题,其主要原因是水泥浆失重所致,具体表现为以下4个方面:(1)水泥浆在凝结过程中,其内部结构力不断增强,与井壁和套管的连接力(胶凝强度)不断增加,水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上,降低了对地层的压力;(2)水泥浆在凝结过程中,由于水化作用,水泥石基体内部收缩形成微孔隙,同时外观也产生体积收缩,降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为0.1%0.5%,终凝却大于2%;,11,1、发生气窜的原
4、因及影响因素 原因,(3)在水泥浆柱中,水泥浆内自由水的分离,形成了连通的轴向水槽(或水带),降低了对地层的压力。这种现象在斜井中尤为明显,即在井壁上侧形成了一条明显的水槽,这是油、气、水窜的主要通道;(4)水泥浆失水一般较大,其自由水易渗入渗透性好的地层,在环形空间产生桥堵,阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的压力传递,造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。,12,1、发生气窜的原因及影响因素 影响因素,(1)水泥浆失水,13,表中数据说明,30 min失水量大于500 ml水泥浆的抗气窜能力比小于250 ml的水泥浆弱得多,而低于250 ml失水量的水泥浆,抗气窜能力虽有差别,但并不明显。实际上,这些
5、浆体的抗气窜能力,主要表现在稳定性和低析水。,14,2、双凝水泥,12.5,压差比用(Pc-Pf)/Pc表示,Pc,Pf分别为水泥浆柱原始压力和气层压力。,15,从表可知:(a)双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在相同条件下,单凝水泥浆发生了气窜,而双凝水泥浆却阻止了气体进入井筒。(b)随着气层压力的增加和压差比减少,双凝水泥浆防止气窜的效果,同样有一定的限制。从序号2的实验可以看出,当压差减少了2.5%后,防气窜仍然有效,当压差比进一步减小到4.16%时,气体同样侵入速凝水泥段,气体虽未穿过该井段,却在下部形成明显的气斑。,16,(c)水泥浆的缓凝段与速凝段长度比,一般选用21的关系
6、,可得到较好的防气窜效果。因此,应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔长度、初凝时间的差值,还要考虑水泥浆失重、浆柱压力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。,17,(3)环空憋回压,18,由以上试验结果可见:(a)两种处理失水方法的试验都说明,井口憋回压对防止气侵有一定效果,在放失水情况下要憋较大的回压才能防止气侵。(b)传压率随水泥凝结而不断下降。因此,在地层许可条件下,憋压越早,效果越好。一般可选择水泥浆候凝60 min前进行憋压。,19,2、气窜预测方法,水泥浆阻力系数法A值法 A值越小,过渡时间越短,防窜效果越好;评价标准:00.110防窜效果极好0.1100.125防窜效果中等0.1
7、250.15防窜效果较差 较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。,20,防窜对水泥浆性能的要求 高防窜要求A0.110,中等防窜要求A=0.1100.125;自由水量 0.50%;API失水 100 ml。,21,二、适合井况要求的水泥浆体系,22,为适应各种井况固井的要求,水泥浆体系可按如下分类:按密度分:高密度、超高密度水泥浆体系 低密度、超低密度水泥浆体系 按特定功能分:防窜水泥浆体系、抗盐水泥浆体系、抗腐蚀水泥浆体系、增塑抗冲击水泥浆体系等。,23,1 水泥浆体系研究的根本原则,满足具体要封固井的地质和工程要求;综合工程性能的协调。,24,2 水泥浆体系研究的具体原则,(1)提高顶替效率
8、原则:合理的切力与粘度:,oc、osp、om 分别为水泥浆、隔离液及泥浆的动切力;oc、osp、om 分别为水泥浆、隔离液及泥浆的塑性粘度;oc、osp、om 分别为水泥浆、隔离液及泥浆的密度。,25,2 水泥浆体系研究的具体原则,(2)特殊功能原则:防窜水泥浆:水泥浆凝结过程中,浆柱的有效当量压力(有效液柱压力+气侵阻力),应不低于地层压力;低密度、高密度水泥浆:根据固相颗粒的粒度级配原理,优选减轻料或加重料的类型和颗粒尺寸的配合;,26,平衡固井水泥浆:优选水泥浆触变外加剂,使浆体在注替和候凝过程满足平衡:防漏有效当量压力(有效液柱压力-触变当量压力)不高于漏失压力。防窜有效当量压力(有效
9、液柱压力+气窜阻力)不低于溢流压力。,27,3 几种水泥浆体系(1)高密度、超高密度水泥浆体系,(a)超高密度水泥浆2.60g/cm3设计实例加重料优选:铁矿粉应经精选,以减少其粘度效应。密 度:4.90g/cm3,不低于4.70g/cm3。粒度分布:应有宽的分布。试验表明由适当比例的80 120目,160180目,200325目等铁矿粉组成能获得性能较好的高密度水泥浆。外加剂优选:对水泥石早期强度发展影响小、稠化时间易于调整。同时,应注意控制降失水剂的加量,使水泥浆具有良好的可泵性。,28,(1)高密度水泥浆的典型配方及性能典型配方,29,典型配方的性能,30,(b)抗盐高密度水泥浆 s=2
10、.30g/cm3 中 温,31,(b)抗盐高密度水泥浆 s=2.30g/cm3 高 温,32,(2)低密度、超高密度水泥浆体系,设计原理 根据固相粒子粒度级配原理,选择适当粒度的减轻剂,使组成水泥浆的固相分布得到改善,实现浆体稳定性好、水泥石致密、早期强度高。,33,(a)超低密度水泥浆,超低密度水泥浆的典型配方序 密 外加剂加量(%)备 注号 度 水泥/减轻剂 早强剂 分散剂 降失水剂 缓凝剂1 1.30 100/30 3.0 0.5 0.7 0.102 1.25 100/50 3.0 0.7 1.0 0.07 体系131.20 100/75 4.0 0.8 1.2 0.054 1.30 1
11、00/30 3.0 1.5 5.0 0.155 1.25 100/50 3.0 2.0 6.0 0.08 体系261.20 100/75 4.0 2.5 7.0 0.06,34,超低密度水泥浆的性能序 密 流动度 析水 失水 流变性能 稠化时间 强度 渗透率号 度 cm%ml s(Pa)0(Pasn)min Mpa1 1.30 22 0 192 3.53 0.069 210 11.5 02 1.25 21.5 0 188 3.05 0.077 235 10.0 03 1.20 22 0 164 5.11 0.056 272 8.2 04 1.30 21.5 0 120 3.31 0.062 1
12、83 12.4 05 1.25 22 0 108 2.88 0.067 220 11.2 06 1.20 22 0 80 3.07 0.073 248 9.3 0,35,漂珠膨润土粉煤灰硅藻土,减轻剂筛选,(b)深井、超深井固井低密度水泥浆,X-射线衍射仪扫描电镜,API规范试验设备激光粒度仪,外加剂优选优选类型:降失水剂、分散剂、缓凝剂早强剂、稳定剂、消泡剂,36,深井超深井低密度水泥浆配方及性能 中温配方,37,深井超深井低密度水泥浆配方及性能高温配方,38,深井超深井低密度水泥浆现场应用 在塔里木的提2井、红旗2井、轮古6井、轮古6C井、轮古2-2井、轮古3井进行了应用试验。实验井井深为
13、4613 5606m,封固段长为1000 3103.64m。6口实验应用井3口优质(提2、轮古2-2、轮古3),3口合格。,该应用在国内应用井深最深,封固段长最长!,39,井号:红旗2井提2井井深:4613m5362套管尺寸:77 尾管封固段:3610-46102835-5362电测温度:118/5540m128/5361m浆体密度:1.381.36套管试压:合格合格固井质量:合格主封固段优质试油结果:气:12.7万方气:6万方(日产)油:85方油:49方,两口试验井结果,40,(3)PLT系列增塑防裂水泥浆体系,(a)PLT-1S(中低温)常规密度水泥浆性能,41,42,浆体凝结过程中的孔隙
14、压力变化曲线,43,(b)PLT-2S(高温)常规密度水泥浆性能,44,(c)PLT-1S(中低温)低密度水泥浆性能,45,三、小间隙环空注水泥流动计算方法,46,小间隙环空影响固井质量主要体现在:环空返速高、环空摩阻压降高、当量循环密度高、顶替效率低。这些影响因素交织在一起,使海洋深探井小间隙环空固井注水泥应用平衡压力设计及提高注水泥顶替效率技术,面临着严峻的挑战。,47,1 小间隙环空流动计算方法分析,从偏心环空速度场与流动压力计算公式来看,对于小间隙环空,如果不考虑套管的旋转情况(这与目前的实际注水泥施工工况是一致的),其速度场与流动压力的计算方法应是一致的。但实际施工的结果表明,用常规
15、方法计算的小间隙流动压力的误差比计算的常规间隙环空流动压力的误差要大。其原因主要在于以下几个方面。,48,(1)流变参数计算 现在注水泥流变学标准规定水泥浆的流变参数使用旋转粘度计300转和100转的读值进行计算。这主要是考虑水泥浆在一般环空中的剪切速率在511s-1与170s-1之间的缘故。在小间隙环空中,其水泥浆流动的剪切速率将大大增加,所以再用300转与100转的读值进行计算势必出现较大偏差。下表是流体流速对小间隙环空管壁处的剪切速率的影响情况。,49,表1 流速对小间隙环空流动剪切速率的影响 对上述小间隙环空,如以排量0.6(m3/min)进行注水泥作业,其环空平均返速已近或超过1.0
16、(m/s),如以1.0(m3/min)注水泥,则返速可达1.5(m/s)以上。可以看出,在小间隙环空中,其水泥浆实际的剪切速率一般均大于旋转粘度计的300转的值,这时如再用300转与100转读值进行计算,则可能导致较大偏差。,50,(2)小间隙条件下流态计算的影响 从前面的计算分析中可以看出,在实际的小间隙环空注水泥作业中,其顶替排量均较低,故顶替过程的水泥浆雷诺数一般均为层流或过渡流。大多数的理论分析和实验表明,在环空内临界雷诺数的值应随环空直径比增加而增大,因此,在小间隙环空中对流态的判别标准不宜使用与常规流动计算中的标准,即:Rc=3470-1370n。小间隙环空实际的紊流临界雷诺数上限
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